基于钻屑理论的抽采钻孔合理封孔深度研究

毛桃良 申宏敏

1.中煤昔阳能源有限责任公司 白羊岭煤矿 山西昔阳 045300 2.中国矿业大学 安全工程学院 江苏徐州 221008

1 分析钻屑量的指标理论

在实施大量的试验之后，可以确定在打钻区域的瓦斯含量、地应力大小、钻头的直径数值以及煤自身被破坏效果对于整体的钻屑量有着较大程度的影响。另外需要明确的是，如果钻头的直径被固定，证明钻屑量的指标属于常量，进而可以确定除了此类问题，其他三个因素都是影响钻屑量的重要因素。而结合相关的资料和理论说明，钻孔内部的钻屑量主要是由动态和静态钻屑量组成。

（1）静态钻屑量主要是在钻孔半径（r0）其周围的原有煤屑量，这种煤屑量主要出现在钻孔破碎圈之前，而利用其长度来计算，可以将原有的煤屑量体积质量利用ρ0表示，其公式为：

（2）动态钻屑量主要是在钻孔成功后，钻孔周围应力重新分布，在孔壁位移之后所产生的钻屑量，其中包含Se1（表示为孔弹性变形所生成的钻屑量）；Sp（在孔内部由于破碎带的作用使煤体本身发生扩容产生的碎屑量）以及Se2（表述为在破碎带形成之后，弹性区域和其交界处基于弹性的基础上所导致的碎屑量）。

①Se1计算方法：结合效应力等作用的原理和分析，在破坏多孔介质期间所产生的作用力为有效应力：，公式为：

式中：W 为总应力，MPa；λ 表示为煤体自身摩擦角与内聚力相关系数；P 表示为煤层之间的瓦斯造成的压力，单位利用MPa 表示；ν 表示煤体存在的泊松比；E 表示煤体本身的弹性模量，单位为N·mm-2。

②Sp的表达式计算表示为：

③Se2计算表达式为：

由以上公式可以看出：

（1）在煤层范围相同时，煤的ρ0（体积质量）可以被看做每一个地方都是相同的；另外当钻头的直径被固定，每一个地方的静态钻屑量也相对相同。所以结合此分析可以看出，动态钻屑量决定了整体钻屑量的区别和差异。

（2）在动态钻屑量计算和分析中，其主要的影响因素为煤体本身所受到的力性大小，当钻孔直径被固定之后，ρ0（煤体体积模量）与ν（泊松比）与动态的煤屑量呈现正比关系，但是动态煤屑量与E（煤弹性模量）却呈现反比关系；另外需要注意的是，动态钻屑量与煤体个因素都存在一定的关系，如松散系数或者自身内聚力等。并且结合煤体自身的软化模型性质，在地应力增加时，会导致煤质发生变软的情况，进而使钻孔出现较大量的变形，增加动态钻屑量[2]。

结合上述对钻屑量和煤体的分析得知，在钻头直径和同一煤层基础上，静态钻屑量为定值，而煤层地应力对于动态钻屑量指标有着较大的影响作用，所以在巷道的“三带”范围分布预测中，可以采取动态钻屑量指标进行，结合其指标的变化趋势和规律，将煤体内部所存在的地应力进行规律分析，将抽采瓦斯所需要钻孔的封孔深度加以确定。

2 测试巷道“三带”范围情况

测试原理：

在沿着煤层顺序开挖巷道期间，会破坏原有的应力平衡，以此，巷道周围的煤体其内部应力从三向转变为二向，这时候，煤体层的应力值会变化且重新分布，造成集中应力，并且在开挖的作用下，会降低媒体岩层的强度。需要注意的是，如果此时的强度仍大于集中应力，此时周围的岩石层依旧是弹塑性情况。而如果出现相反的情况，会破坏煤体岩层，逐渐向着更深部位扩散，一直到新的三向应力平衡形成之后停止。在停止之后巷道周围煤体自身层次会变为原始应力带、集中应力带和卸压带（由外向内）。根据上述相关的分析和指标理论探讨，煤层地应力的变化情况会对于动态钻屑量指标有着严重的影响。因此，可通过向煤巷巷帮打顺层钻孔，测量不同深度处煤体钻屑量的方法，将煤体钻屑量中在不同的单位、长度和深度的变化进行分析，将煤体内部应力的分布情况加以明确，以此来将“三带”在巷道周围的范围进行确定。

3 结语

综上所述，在钻屑量的分析中，其主要包含动态与静态两方面。如果将钻头的直径确定，其静态钻屑量则为定值，此时动态钻屑量会决定总体钻屑量的差异。而在此期间，煤层的地应力对于其作用和影响较大，所以可以结合钻屑量指标的变化相关分析来将媒体内部应力分布情况加以确定[3]。